Investigan nuevas aplicaciones para el grafeno

Un equipo de investigadores del área de Materiales Compuestos del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), unidad Querétaro, desarrolla nanomateriales con grafeno para mejorar la transferencia de carga eléctrica en dispositivos.

El docente investigador a cargo del proyecto, Alejandro Manzano Ramírez, aseguró que el área de Materiales del Cinvestav unidad Querétaro, desarrolla líneas de investigación enfocadas en nanoestructuras, degradación de volátiles orgánicos e inhibición del crecimiento de microorganismos, así como limpieza del aire y producción de energía, que respondan a la demanda de alternativas a los combustibles fósiles.

“Por el momento, es difícil encontrar un tipo de energía que sustituya los hidrocarburos o la nuclear; sin embargo, es importante ir generando alternativas para la producción de energía en zonas locales o nichos muy específicos, como las casas habitación, edificios inteligentes y parques tecnológicos, donde, por ejemplo, ya se observan sistemas solares fotovoltaicos de manera masiva”, advirtió.

Películas orgánicas con grafeno

Manzano Ramírez detalló que el objetivo de este proyecto es analizar las propiedades de conductividad eléctrica y flexibilidad del grafeno, para la obtención de películas orgánicas que puedan ser utilizadas en dispositivos como calculadoras plegables, teléfonos móviles, pantallas interactivas para aulas de clases, dispositivos fotovoltaicos, controles táctiles, entre otros.

“El grafeno lo estamos sintetizando y se combina con nanoestructuras como son nanoalambres, nanopartículas o nanoesferas de plata (Ag), para poder obtener lo que se llama una capa activa y poderlo incluir en lo que es una celda solar orgánica. Lo innovador está en que se pueden obtener películas delgadas y flexibles con una buena conductividad eléctrica, con forma de hexágonos de carbón, con vértices altos, que se repiten tridimensionalmente”, explicó.

En investigador del Cinvestav detalló que el grafeno es un material compuesto por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina con forma hexagonal y de un átomo de espesor que, además de ser flexible, es 200 veces más resistente que el acero y con una alta conductividad térmica y eléctrica.

«La posibilidad de combinarlo con otras sustancias químicas le otorga un gran potencial de desarrollo: los electrones del grafeno pueden moverse con mayor libertad, consume menos electricidad que otros materiales, se calienta mucho menos por efecto Joule, soporta la radiación ionizante, además de que es casi completamente transparente y tan denso que ni siquiera los átomos de helio (He) —que son los más pequeños— pueden traspasarlo», destacó.

En ese sentido, la estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales del Cinvestav, Zaira Barquera Bibiano, abundó que, como parte de este trabajo de investigación, se lleva a cabo en laboratorio la caracterización y síntesis de este material para la generación de celdas solares orgánicas combinadas con nanopartículas de plata.

“El grafeno se sintetiza para el aprovechamiento de sus propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas. Se realiza a partir de la oxidación ácida de grafito, es una de las técnicas más empleadas, por tratarse de un proceso sencillo y escalable. Al combinarlo con otros dispositivos, obtenemos una película a través de nanoestructuras que nos puede dar la posibilidad de conducir fácilmente electrones, o lo que sería la carga eléctrica”, afirmó.

Barquera Bibiano detalló que el grafito, que es la materia prima para obtener el grafeno, se somete a diversos tratamientos químicos que permiten la producción considerable de este material con un bajo costo.

“Para la producción de estas láminas se muele el grafito y después lo sometemos a una oxidación severa vía ácida. Tenemos diferentes métodos de reducción mecánica y térmica que involucran un menor consumo de energía, con lo que se abaratan los costos. Lo que estamos realizando es el ensamble de la celda como tal, con el objetivo de observar si estos tratamientos benefician o perjudican la respuesta eléctrica dentro de la celda solar”, puntualizó.

La estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales del Cinvestav destacó que las celdas solares orgánicas, además del beneficio de la flexibilidad, resultan mucho más económicas con respecto a las celdas inorgánicas que se producen con silicio (Si).

“La producción de este polímero no es tan costosa como la del silicio, porque el grafito se puede obtener de una manera más sencilla. Esta línea de investigación de celdas solares orgánicas ha resultado un reto en lo que se refiere a estandarizar todo el proceso, dado que los materiales son más sensibles y, además, tienen que ser encapsulados”, abundó.

El docente investigador a cargo del proyecto, Alejandro Manzano Ramírez, puntualizó que este desarrollo tecnológico puede tener aplicaciones en productos como pantallas táctiles, relojes, algunos dispositivos de automóviles o sistemas autónomos de manejo, y que en esta iniciativa trabajan diferentes instancias del Cinvestav.

“En el grupo de Materiales Compuestos están participando estudiantes de doctorado de ciencias de materiales y nanotecnología con un background en química, principalmente, por todo lo que se necesita durante la síntesis y la caracterización de estas nanoestructuras. También vamos a incursionar con un grupo de España sobre transistores en esas nanoestructuras de grafeno”, explicó.

Colaboración interinstitucional

Manzano Ramírez señaló que para este proyecto, el Cinvestav cuenta además con la colaboración de otras instituciones, como el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), así como especialistas en nanotecnología de la Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ).

“Tenemos colaboraciones de centros de otras entidades, como  Jalisco y Guanajuato, que trabajan también en el desarrollo de celdas solares, por lo que este es un proyecto multiinstitucional. Todo esto se contextualiza en lo que son materiales compuestos, películas activas, es decir, polímeros conjugados que se mezclan con estas nanoestructuras de grafeno y plata”, detalló.

El doctor en ciencias del Cinvestav, unidad Querétaro, explicó que estas investigaciones se desarrollan ante el reto que representa ofrecer alternativas al uso de combustibles fósiles para la generación de energía.

“El futuro y la durabilidad de los hidrocarburos es incierto, nadie tiene la certeza de cuánto tiempo vamos a seguir contando con ellos. En ese sentido, creo que lo más inteligente es que desde ahora comencemos a mirar en nuevas propuestas y alternativas que, con el tiempo, se deben ir perfeccionando hasta llegar a un punto donde se cuente con propuestas muy atractivas y que ofrezcan un beneficio global a la humanidad en términos de energía”, finalizó.

Fuente: CONACYT.